Bersetting disebuah dunia dimana para umat manusia kini tengah bertahan dari monster yang bernama Klaxosaur. Monster ini memakan sumber energi magma, yang merupakan sumber energi yang dibutuhkan oleh umat manusia guna menghidupkan benteng dan berbagai hal. Nah, untuk menjalankan kelangsungan hidup manusia, dengan melindungi sumber energi dan benteng, manusia telah membuat robot FranXX, namun hanya kombinasi pria dan wanita pilihan yang dapat mengendalikannya.
 
Fokus cerita ada pada Hiro, seorang bocah yang ingin menjadi pilot FranXX, tetapi harapannya tersebut pupus lantaran gagal ketika pengetesan kecocokan untuk mengendalikan FanXX. Kemudian Hiro bertemu dengan seorang gadis berambut pink bertanduk bernama Zero Two, yang memiliki sebutan sebagai “partner killer“. Zero Two tertarik kepada Hiro dan mencoba untuk mendekatinya. Namun Zero Two sebenarnya terkenal dengan keberutalannya saat mengendalikan FranXX lalu juga gen miliknya sangat unik yang membuat partner yang memiloti Franxx mati setelah 3x naik bersamanya.
 
Meski begitu Hiro tidak mempermasalahkan hal tersebut dan ingin tetap naik bersamanya. Dan saat naik bersama dengan Zero Two, kini Hiro mulai menyadari kemampuannya yang sebenarnya.